石墨烯特殊的電子遷移率、柵極可調性以及與超導材料的接觸透明性使其成為研究超導鄰近效應的理想材料。然而，石墨烯與超導體的功函數差異導致石墨烯不可避免地在接觸附近摻雜，在空穴摻雜區形成p–n結，降低了接觸透明度。這對利用石墨烯雙極性的器件實現提出了挑戰。為了解決這一局限性，本研究開發了一種新的二維超導觸點制備方案，該方案允許對與超導體接觸的石墨烯和石墨烯通道的電荷濃度和極性進行獨立控制。通過測量接觸透明度、電導增強和約瑟夫森耦合，證實了石墨烯與兩種極性的透明接觸。此外，本研究還證明了負填充因子ν=−2時量子霍爾邊態的Andreev過程。該方案將為利用石墨烯的雙極性和超導電性實現各種理論命題開辟途徑。
圖1. 二維（2D）超導（SC）觸點的結構和制造程序。（a，b）（a）一維（1D）SC與石墨烯接觸的示意圖和（b）接觸點附近石墨烯中的費米能（EF）（c，d）（c）二維SC與石墨烯接觸的示意圖和（d）接觸點附近石墨烯中的EF。對于EF的示意圖，藍色曲線表示石墨烯中的電子摻雜，而紅色曲線表示石墨烯中的空穴摻雜。（e） 六方氮化硼（hBN）/石墨烯/hBN異質結構上2D SC接觸的制造程序。（f） 2D SC接觸的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像。（g） 2D SC接觸的電子能量損失譜（EELS）。
圖2. 二維超導觸頭的三探針測量。（a） 具有測量配置的設備的假彩色掃描電子顯微鏡圖像。NbN/Nb/Ti超導電極（綠色）和Au/Cr正常電極（黃色）與石墨烯（藍色）接觸。橙色虛線表示頂部柵極。（b） 在T=10.8 K的溫度下，正常狀態電導（GN）隨石墨烯（nch）溝道區電荷濃度和外加背柵電壓（VBG）的變化。對于（c），兩條垂直黃色虛線分別對應于nch=−2×10
11 cm
–2（左）和nch=2×10
11 cm
–2（右）。四角插圖：沿四種極性配置對應的器件長度方向，在坐標x中靠近觸點的石墨烯的費米能量（EF）示意圖。（c） 在nch=−2×10
11 cm
–2（左）和nch=2×10
11 cm
–2（右）的偏置電壓VB=2.5 mV（G2.5?mV）下采集的數據歸一化的微分電導，作為T=20 mK時VB和VBG的函數。藍色虛線對應于（d）的每個面板。（d） VBG=6.8 V（右上），-10 V（右下）在nch=2×10
11 cm
–2和VBG=4.925 V（左上），-25 V（左下）在nch=-2×10
11 cm
–2處的線切割。紅色曲線對應于Blonder–Tinkham–Klapwijk（BTK）擬合，勢壘強度Z，能量展寬Γ，超導間隙Δ=0.45 meV。（e） 接觸透射概率τ和勢壘強度Z是VBG的函數。（f） τ與1/（1+Z
2）的相關性。
圖3. 具有二維超導接觸的石墨烯約瑟夫森結（GJJ）的輸運特性。（a） 用測量結構的二維超導鉬錸（MoRe）觸頭制作的GJJ器件的假彩色掃描電鏡圖像。更多的超導電極（綠色）與石墨烯（藍色）接觸形成約瑟夫森結。橙色虛線表示頂部柵極。（b） 在T=8.5 K的溫度下，正常狀態電導（G
N）隨石墨烯（n
ch）溝道區電荷濃度和外加背柵電壓（V
BG）的變化。黃色點對應于n
ch，其中給定V
BG的接觸透射概率最大（τ
max）。四角插圖：坐標x中費米能量（E
F）沿設備長度方向的示意圖，對應于四個極性配置。（c） 估算n
co作為V
BG的函數，擬合如正文所述。（d） G
N和GJJ的臨界電流（I
C），作為V
BG=5 V（上面板）和V
BG=−30 V（下面板）的n
ch函數。（e） 作為n
ch函數的2D接觸和1D情況下τ
max的比較。（f） 一維和二維接觸情況下，寬度歸一化I
C作為n
ch函數的比較。在V
BG=−30 V（藍色）和V
BG=5 V（紅色）下采集2D觸點數據。
圖4. 負填充因子ν=−2的量子霍爾態中的交叉Andreev轉換。（a） 石墨烯霍爾棒器件的假彩色掃描電子顯微鏡圖像，該器件由具有測量結構的二維（2D）超導鉬/錸（MoRe）觸點制成。更超導的電極（綠色）和Au/Cr正常電極（黃色）與石墨烯（藍色）接觸。橙色虛線表示頂部柵極。（b） 上面板：在磁場B=4.559 T、背柵極電壓V
BG=−30 V、頂柵極電壓V
TG=6.298 V時，差分下游電阻（dV
D/d
I）（黑色）和差分霍爾電阻（−dV
XY/d
I）（紅色）作為上游偏置電壓（V
U）的函數。下面板：下游電壓（V
D）作為V
U的函數。天藍色垂直虛線表示超導間隙更多（Δ更多）。（c） dV
D/d
I（上面板）和−dV
XY/d
I（下面板）的彩色編碼圖，作為B=3 T、V
BG=−10 V和V
TG=0.9747 V時V
U和溫度T的函數。天藍色水平虛線表示更多電極的臨界溫度。（d） 下游電阻（R
D=V
D/I）、上游電阻（R
U=V
U/I）和霍爾電阻（−R
XY=（V
U–V
D）/I）作為T的函數，對應于（c）的零偏置（V
U=0）切割。天藍色垂直虛線表示更多電極的臨界溫度。
相關研究成果由浦項科技大學
Gil-Ho Lee課題組2024年發表在
Nano Letters
(鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c03767)上。原文：
Engineering Superconducting Contacts Transparent to a Bipolar Graphene
轉自《石墨烯研究》公眾號
